專利名稱：通過超聲試驗測定片材強度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)來聯(lián)機和脫機地測定紙和類似產(chǎn)品的強度及有關(guān)力學(xué)性質(zhì)的方法。本發(fā)明還提供一種用來測量紙和類似產(chǎn)品的強度和有關(guān)力學(xué)性質(zhì)的設(shè)備。
紙和類似產(chǎn)品的制造商一般希望測量其產(chǎn)品的力學(xué)性質(zhì)，以保證該產(chǎn)品滿足其預(yù)期用途的要求。直到最近，為了試驗這些性質(zhì)，曾經(jīng)需要在實驗室中用從紙張上切下的樣品來測量想要的性質(zhì)。此方法是特別費時間的，并且所得到的結(jié)果決不代表整張或整卷紙的性質(zhì)。
為了克服與脫機處理相關(guān)的這些問題，Baum和Habeger在美國專利4,291,572中討論了用來測量紙的強度性質(zhì)，特別是用來估計楊氏模量的聯(lián)機方法和設(shè)備的發(fā)展。Baum和Habeger公開了采用對片狀產(chǎn)品施加單個超聲脈沖或一短列超聲波脈沖，然后測量該脈沖到達接收器的“飛行時間”。知道了發(fā)射器與接收器之間的距離，就可以算出波的速度。然后可以從波的速度估計楊氏模量。然而，測量楊氏模量和其他強度特性的Habeger和Baum聯(lián)機方法帶來了許多問題。尤其是，由于與一個聯(lián)機系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的噪聲，所以難以把寄生(extraneous)噪聲與所發(fā)射的脈沖信號相分離，因此很難準確地識別脈沖信號并由此計算該脈沖信號的“飛行時間”。除了噪聲問題之外，還有一個界面問題，即在發(fā)射器/接收器與產(chǎn)品材料之間的阻抗失配可能在進行測量時引起問題的場合。通常，發(fā)射器/接收器對波的阻抗與片狀產(chǎn)品對波的阻抗相比大不相同，從而，造成向片狀產(chǎn)品發(fā)射的實際能量的損失。這造成單個脈沖信號的相位變化和失真，這就再次使識別所發(fā)射的信號和計算“飛行時間”變得困難。
與Habeger和Baum系統(tǒng)，從而與準確地測量脈沖信號的“飛行時間”的能力相關(guān)聯(lián)的另一個問題在于界面(如空氣/紙之間)和樣品邊緣處存在著對脈沖信號的反射。反射以及噪聲影響準確地測量脈沖信號“飛行時間”的能力，因此同樣難以從反射信號中識別出原始脈沖信號。
Habeger和Baum采取了某些步驟來處理他們的系統(tǒng)的問題，尤其是在與噪聲、阻抗失配和反射相關(guān)的問題方面。對數(shù)據(jù)的額外的讀數(shù)和處理，或者在反射的場合，等到反射已經(jīng)減少，是在試圖減少與Habeger和Baum系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的問題時已經(jīng)采取的的步驟。然而，所有這些解決辦法均需要相當(dāng)長的時間，在聯(lián)機程序中一般設(shè)有該時間可以利用。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于噪聲和之前所采用的測量方法，所以提供一個平均測量結(jié)果可能需要長達6分鐘。在現(xiàn)代造紙機上6分鐘的聯(lián)機意味著幾千米和/或幾噸的紙張，這樣地話如果片狀產(chǎn)品不能滿足所需目的用的強度要求，便造成了產(chǎn)品的很大浪費。
已經(jīng)開發(fā)出另一種儀器，試圖連續(xù)監(jiān)測紙的力學(xué)性質(zhì)。原本為監(jiān)測連續(xù)運動的聚合物片材的彈性模量而設(shè)計的該儀器被改裝成對運動著的濕紙的彈性模量。進行測量該設(shè)備在工作時向該樣品發(fā)射一個具有已知的恒定頻率的連續(xù)聲波，測量在發(fā)射器與接收器之間的相位移，并根據(jù)測得的相位移確定波長。此方法稱為“連續(xù)波相位移”測量法。像用Habeger和Baum的“脈沖技術(shù)”的場合一樣，“連續(xù)波相位移”法有一個在片狀產(chǎn)品中產(chǎn)生反射的問題，于是使對原發(fā)射波的識別極其困難。同樣，為了保證所取讀數(shù)是準確的測量，采用一種低恒定頻率的信號，然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由先有技術(shù)所采用的聲信號一般來說對噪聲，通常是外界機器(或不相關(guān))噪聲很敏感，這又一次使得對所傳播波的識別極其困難，導(dǎo)致得到不準確的測量。
于是，本發(fā)明的目的在于，提供將克服先有技術(shù)中的某些問題，并特別是比較準確地并且最好是聯(lián)機測量材料，特別是紙片產(chǎn)品的強度和有關(guān)性質(zhì)的一種方法和設(shè)備。
本發(fā)明針對一種測量片狀產(chǎn)品中的強度特性和有關(guān)性質(zhì)的方法，該方法包括以下步驟(a)在該片狀產(chǎn)品中提供一種連續(xù)聲掃頻波；(b)接收該連續(xù)聲掃頻波；以及(c)進行測量以確定該波在發(fā)射之后到達該接收器所用的時間。
由于信號的性質(zhì)，特別是信號的頻率與時間之間的關(guān)系，有可能利用一種裝置從不需要的頻率如噪聲和反射之類中濾出想要的頻率。在先有技術(shù)中該濾波是不可能的。
有利的是，通過采用一種連續(xù)的聲掃頻波，有可能比較快地、定量地和準確地測量該信號從發(fā)射到接收的“飛行時間”，從而較準確地測量沿縱向、橫向和Z向的強度模量。這在先有技術(shù)的Baum和Habeger法和“連續(xù)相位移”法中是不可能的，這些方法依賴于所接收的信號與所發(fā)射信號的脈沖形狀之間的比較，其中往往難以從噪聲和反射中區(qū)分出所接收信號。
可取的是，該掃頻頻率為一種超聲頻率。
更可取的是，為了確定該波在發(fā)射之后到達接收器所用的時間，從而確定必要的強度性質(zhì)，測定所發(fā)射信號的頻率到所接收信號的頻率變化。
可取的是，該連續(xù)超聲掃頻波是一種帶有恒定振幅的線性掃頻。一種線性掃頻是，其中對于恒定的掃頻速度來說，瞬時頻率隨著時間線性地變化。
于是，由于該瞬時頻率隨著時間線性地變化，根據(jù)測量的頻率變化和已知的發(fā)射器與接收器之間的距離，可以算出波速。
更可取的是，線性掃頻波期等于測量時間。
與發(fā)射和接收裝置一樣，該方法最好利用一種用來從相關(guān)噪聲(由激勵信號引起的，例如失真和混響)和不相關(guān)噪聲(該噪聲與激勵信號無關(guān)，例如片狀產(chǎn)品的運動和機器噪聲)以及反射中濾波或分離并且比較想要頻率的裝置。一種可取的用來濾波或分離并且比較所需頻率的裝置是鎖相環(huán)。也可以有利地采用其他合適的基于頻率的濾波器和跟蹤裝置，其中包括晶體濾波器。
本發(fā)明還提供一種用來測量片材中的強度特性和有關(guān)性質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備包括(a)在該片狀產(chǎn)品中發(fā)射一種連續(xù)超聲掃頻波的裝置；(b)接收該連續(xù)超聲掃頻波的裝置；以及(c)進行測量以確定該波在發(fā)射之后到達該接收器所用時間的裝置。可取的是，用來進行測量的該裝置包括一個用來濾波、分離并且、比較所需的信號，最好是諸信號頻率的裝置?？扇〉氖?，用來濾波并且比較所需信號的該裝置包括一個鎖相環(huán)。
可取的是，該設(shè)備將至少包括一個發(fā)射裝置，并可取地包括一個或多個接收裝置。然而在某些實施例中，例如Z向測量，該發(fā)射器還可以起接收器的作用。
如果采用一個以上的接收裝置，則它們可以圍繞該發(fā)射器最好按圓形布置成一個陣列。
有利的是，可以用同一發(fā)射/接收配置來測量縱向、橫向和Z向模量，而在先有技術(shù)的配置中這是不可能的，每個測量需要不同的裝備。
此外，由于使用了連續(xù)掃頻波，有可能橫跨片狀產(chǎn)品設(shè)置一組發(fā)射/接收系統(tǒng)，其中各自的發(fā)射頻率有選擇地在一個預(yù)定的頻率范圍內(nèi)工作，于是每個系統(tǒng)將互不干擾。于是，與先有技術(shù)的方法不同，在先有技術(shù)中同時得到橫跨整個材料寬度的聯(lián)機強度值如果不是不可能的也是極其困難的，本發(fā)明有利地提供一種得到此寶貴信息的比較快速且準確的裝置。
下面將對照附圖描述本發(fā)明的一個實施例。


圖1表示生成的和接收的波形的最佳實施例；圖2表示本發(fā)明設(shè)備的基本最佳組件的方塊圖；圖3表示適于測量Z向模量的試驗臺的一個例子；圖4表示一個紙樣品的分散圖。
所生成的線性波形或信號最好是一種連續(xù)掃頻波。這種連續(xù)波具有隨著時間線性變化的瞬時頻率，于是在發(fā)射波一接收波之間瞬時頻率之差是發(fā)射與接收之間延遲的一種度量。參見圖1，該圖表示生成的和接收的波形的一個最佳實施例。
圖2表示本發(fā)明的設(shè)備的基本組件的概圖。該設(shè)備一般包括一個生成信號的裝置1、2、3和4，一個發(fā)射信號的裝置5，一個接收該信號的裝置6和一個分離或有選擇地濾波并比較所接收信號的裝置7。
波形最好用一個主控制單元(MCU)1生成，該單元控制一個可調(diào)節(jié)的斜坡發(fā)生器2以產(chǎn)生一個斜坡波形，然后該波形饋入電壓控制振蕩器(VCO)3。該VCO3的輸出是掃頻波，然后該掃頻波最好在發(fā)射之前被放大(組件4)。向片狀產(chǎn)品發(fā)射該波形的裝置5通常是壓電裝置。同樣，接收該波形的裝置6也是壓電裝置。在某些場合，例如Z向測量，發(fā)射器也可以作為接收器工作。
至少用一個發(fā)射器發(fā)射該波形，而可取的是可以用一個或多個接收器。諸接收器可以圍繞該發(fā)射裝置適當(dāng)布置，可取的是圍繞該發(fā)射裝置按圓形布置。同樣，多個發(fā)射器/接收器系統(tǒng)可以沿片狀產(chǎn)品的寬度布置，以便得到橫跨材料寬度的強度讀數(shù)。
有選擇地濾波并比較接收信號的裝置7最好根據(jù)頻率來選擇想要的信號。如上所述，有選擇地濾波并比較該信號的裝置7可取地收集并濾波該接收信號，然后把該接收信號與該發(fā)射信號相比較。用來有選擇地濾波并比較該信號的裝置7最好包括一個鎖相環(huán)，但同樣可以使用一個晶體濾波器。此外，用來分離并比較該接收信號的裝置可以包括一個高增益放大器(未畫出)和一個比較器波“硬化器”(未畫出)。
該高增益放大器(未畫出)提高低電平的接收信號和環(huán)境噪聲。該比較器波“硬化器”可取地放在該高增益放大器之后，并且顧名思義“硬化”該信號把該信號轉(zhuǎn)換成一種方波形狀。
用于有選擇地濾波并比較該信號的裝置7中優(yōu)選的鎖相環(huán)(未畫出)是一個控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生一個在頻率和相位上與輸入信號同步的輸出信號。于是，該鎖相環(huán)(未畫出)被連接到該波發(fā)生器并且更可取地連接到該電壓控制振蕩器3，其中該電壓控制振蕩器3的輸出與該鎖相環(huán)(未畫出)的牽引(pull)范圍同步。該“牽引范圍”是一個頻率范圍，在該范圍內(nèi)該鎖相環(huán)(未畫出)能達到與輸入信號鎖相。在此場合，至該鎖相環(huán)(未畫出)的輸入信號將是該接收信號。
可取的是，該鎖相環(huán)(未畫出)將在前向信號通路(從該接收器6)中包括一個相位探測器和一個低通濾波器，并在反饋通路(至該發(fā)射器5)中包括一個電壓控制振蕩器(VCO)。每個發(fā)射器/接收器配置將可取地利用一個鎖相環(huán)裝置(PLL)和最可取地利用一個數(shù)字PLL。使用數(shù)字鎖環(huán)的優(yōu)點在于，基準輸入(該PLL把輸入頻率與之相比較)是一個數(shù)字(于是漂移最小)并且得自該發(fā)射信號。這意味著在該PLL基準與該放大器輸出信號之間有一種比較恒定的關(guān)系。此關(guān)系被看成一個頻率差，因而看成所經(jīng)歷的延遲時間的一個穩(wěn)定的度量。
此外，在該鎖相環(huán)之后可能需要一個簡單的濾波器(未畫出)以便產(chǎn)生一個與該頻率差線性相關(guān)的連續(xù)電壓輸出。
在使用中，發(fā)射器/接收器配置將可取地橫跨片狀產(chǎn)品的寬度分布。這是可能的，因為有可能設(shè)置每個發(fā)射器/接收器配置以便發(fā)射并接收一個預(yù)定的頻帶。鎖相環(huán)機構(gòu)在每個配置中的使用使得每個單獨的連續(xù)掃頻波得以彼此區(qū)分開?？扇〉氖牵瑝弘娧b置將至少接觸片狀產(chǎn)品的一側(cè)。
各自的連續(xù)掃頻波可在片狀產(chǎn)品中傳播(當(dāng)聯(lián)機時)并被接收器接收和被鎖相環(huán)進一步濾波。輸入(或生成)信號的頻率與接收信號的頻率相比較，而任何差值是由于發(fā)射與接收之間的延遲。已知發(fā)射器與接收器之間的距離，可以算出波速并能得到強度模量的近似。
同樣，通過使基準波的頻率偏移，有可能用同一個設(shè)備既測量縱向模量又測量橫向模量。此外，通過使用本發(fā)明的方法和設(shè)備還能得到Z向的模量。
圖3中所示的試驗設(shè)備包括一個生成信號的裝置(9)，一個樣品試驗裝置(11)和一個用來分析結(jié)果的裝置(10)。在大多數(shù)場合用一個計算機來分析結(jié)果。樣品試驗裝置(11)包括一個發(fā)射裝置(5)和一個接收裝置(6)。樣品(未畫出)放在發(fā)射裝置與接收裝置之間進行測量。
紙樣品的性能可以用一個分散圖來表達。這可取地在垂直軸上用速度而在水平軸上用頻率表達成一種曲線。沿一個紙樣品的縱向產(chǎn)生的分散圖的一個例子示于圖4。所示的速度和頻率二者均針對穿過紙樣品發(fā)射的超聲波。分散圖將視該紙樣品究竟是沿縱向還是沿橫向取向而變化。
分散是材料中波速的頻率相關(guān)性。波的頻率改變該波在材料中傳播的速度。在紙的場合，穿過紙傳播的聲波的該頻率相關(guān)性是相當(dāng)顯著的。這是由于纖維的分散和它們相對于所傳播波的波長尺寸所致。
由本發(fā)明的設(shè)備和方法所產(chǎn)生的分散圖可以用來提供關(guān)于紙樣品的寶貴的進程中信息，此外，由于該設(shè)備和方法可以聯(lián)機使用，故能很容易、很迅速地得到關(guān)于紙樣品的信息。
在開發(fā)本發(fā)明所提供的該方法之前，用飛行時間脈沖法很難產(chǎn)生分散曲線，因為在同一頻率下出現(xiàn)很多波模。這些波模彼此干擾，使測量難以解釋。然而，連續(xù)掃頻波法接受一個落在一定的傳播延遲間隔中的接收信號。通過掃描該發(fā)射頻率但僅接受與一個波速窄范圍相對應(yīng)的接收頻率來繪制該分散圖。發(fā)射頻率的合適范圍從10kHz至2MHz。
造紙過程在紙中造成由9個彈性性質(zhì)定義的對稱狀態(tài)。
C11是縱向彈性剛度常數(shù)C22是橫向彈性剛度常數(shù)C33是Z向彈性剛度常數(shù)(Z模量)C44是縱向-Z向抗剪剛度C55是橫向-Z向抗剪剛度C66是縱向-橫向抗剪剛度C12是面內(nèi)剛度C13是面外抗剪剛度C23是面外剛度對一個樣品沿縱向產(chǎn)生的一個分散圖提供一個C11值，該值是縱向的彈性剛度常數(shù)。這是由分散曲線S1至Sn的水平漸近線來表達的(見圖4)。根據(jù)此漸近線得到的速度測量值等于(C11/ρ)0.5(ρ是表觀密度)。
此外，通過測量分散曲線Ao的平直段可以得到面外抗剪模量C55。此測量值也沿縱向用樣品取得，而該速度等(C55/ρ)0.5。
運用此信息，結(jié)合面外模量C33的值，可以計算C13(面外抗剪模量)的值。(C33可以用例如飛行時間之類技術(shù)上公知的方法獨立地測量)。ωn=2πnhC11ρC33C55C13(2C55+C13)+C11C55----(1)]]>式中n是波模的階；Wn是出現(xiàn)明顯的垂直漸近線的頻率；h是紙的表觀厚度；以及Cij是各種彈性剛變。(Mann，R.W.，Baum，G.A.和Habeger，C.C.，“機制涂料紙的所有九種正交彈性常數(shù)的測定?！盩appi，1980年2月，Vol.63，No.2，163～166頁)。
沿橫向一個分散圖的產(chǎn)生也給出寶貴的信息。分散曲線S1至Sn的水平漸近線的速度等于(C22/ρ)0.5(C22是橫向彈性剛度常數(shù))。此外，Ao的平直段的速度等于(C44/ρ)0.5(C44是縱向-Z向抗剪剛度)。因而運用上面公式(1)可以用C22代替C11并用C44代替C55以便代替C13得到C23。
根據(jù)已經(jīng)得到的信息還能計算C66(由紙片平面內(nèi)的剪切波速度所定義的剛度)和C12。C66=0.387C11C22----(2)]]>(Mann等人)和C12=[2ρVs452-12(C11+C22)-C66]2-[(C11-C22)2]2-C66----(3)]]>式中Vs45是沿與縱向和橫向成45°的方向傳播的面內(nèi)剪切波的速度(Mann等人)。由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該面內(nèi)剪切速度與傳播方向的關(guān)系不大，故可用得自式(2)的剪切速度適當(dāng)?shù)卮鎂s45而給出C12≈[C66-12(C11+C22)]2-[(C11-C22)2]2-C66----(4)]]>(Mann等人)。
于是，針對與面外剛度耦合的各種波模的垂直漸近線和水平漸近線的測量潛在地提供所有系統(tǒng)參數(shù)。
要不然由一個樣品產(chǎn)生的分布貢線可以提供關(guān)于面外模量C33的信息。利用下式C33=ρ(ωoh2πn)2----(5)]]>式中Wn可以根據(jù)分散圖來測量；而h＝樣品的厚度。此式基于C13(和C23)比較小的假設(shè)，對于大多數(shù)紙樣品來說情況就是如此。
結(jié)合本發(fā)明的設(shè)備和方法運用此公式(5)可以在進行面內(nèi)測量的同時測定面外模量。
一般來說，樣品的厚度是脫機測量的。這是用任何一種公知的方法進行的。
要不然的話，可以通過測量樣品的彎曲剛度來確定紙樣品的厚度。這可以根據(jù)分散圖上作為第0個非對稱彎曲波的Ao來測定。彎曲在該頻率的1/4波長處出現(xiàn)，因而有可能從該分散圖的垂直軸讀取相應(yīng)的速度。
然后把該速度用于下式v＝d/td式中V是速度；d是樣品厚度；以及td是穿過該樣品的波的飛行時間(秒)以確定樣品厚度。
此外，連續(xù)波方法能用來直接測量Z模量。此方法依賴于隨著掃頻在量值上提供零值或負值的表面之間的反射。隨著波頻率的改變，在傳感器之間建立起給出最小值的駐波。這種駐波與該波穿過它而傳播的材料的尺雨和聲速有關(guān)。通過增加傳感器之間的時間延遲，將改變出現(xiàn)這種最小值的頻率。這是通過向該設(shè)備插入該樣品來進行的。于是對該樣品厚度的了解可以解釋零點頻率的移動以給出穿過樣品厚度方向的波速，從而給出對彈性Z模量的估計。
于是，有利的是，本發(fā)明提供一種方法，其中噪聲、反射和阻抗失配問題大大減少，而且實時地得到數(shù)據(jù)結(jié)果。通過測量可取的頻率，這提供了一種測定穿過片狀產(chǎn)品的波速的比較準確的、定量的方法。比較起來，上述依速于所發(fā)射和接收的脈沖振幅和形狀的對比的先有技術(shù)的方法，由于信號的敏感性尤其是不準確的，并且是耗費時間的，因為該方法必須克服系統(tǒng)的諸問題。
權(quán)利要求
1.一種測量片狀產(chǎn)品中的強度特性和有關(guān)性質(zhì)的方法，該方法包括步驟(a)在該片狀產(chǎn)品中提供一種連續(xù)聲掃頻波；(b)接收該連續(xù)聲掃頻波；(c)進行測量以確定該波在發(fā)射之后到達該接收器所用的時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其中該掃頻波為超聲掃頻波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中所述的方法，其中為了確定該波在發(fā)射之后到達接收器所用的時間，測定所發(fā)射信號的頻率到所接收信號的頻率的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項中所述的方法，其中該超聲掃頻波是一種帶有恒定振幅的線性掃頻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項中所述的方法，其中該線性掃頻的波期等于測量時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項中所述的方法，其中用一個鎖相環(huán)來分離并比較想要的頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的方法，其中該鎖相環(huán)是一個數(shù)字鎖相環(huán)。
8.一種用來測量片材中的強度特性和有關(guān)性質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備包括(a)在該片狀產(chǎn)品中發(fā)射一種連續(xù)超聲掃頻波的裝置；(b)接收該連續(xù)聲掃頻波的裝置；以及(c)用來進行測量以確定該波在發(fā)射之后到達該接收器所用的時間的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的設(shè)備，其中發(fā)射一種連續(xù)掃頻波的該裝置發(fā)射一種超聲掃頻波。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9中所述的設(shè)備，其中用來進行測量的該裝置包括一個用來分離并比較想要的信號，更可取的是諸信號的頻率的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的設(shè)備，其中用來分離并比較想要的信號的該裝置包括一個鎖相環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任何一項中所述的設(shè)備，該設(shè)備至少包括一個發(fā)射裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的設(shè)備，該設(shè)備至少包括一個接收裝置。
全文摘要
一種利用連續(xù)超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)來聯(lián)機和脫機地測量紙和類似產(chǎn)品的強度和相關(guān)力學(xué)性質(zhì)的方法。本發(fā)明還提供一種用來測量紙和類似產(chǎn)品的強度和有關(guān)力學(xué)性質(zhì)的設(shè)備。該設(shè)備包括一個信號產(chǎn)生裝置(9)、一個包括發(fā)射裝置(11)和接收裝置(6)的樣品測試裝置(11)、和一個用于分析所接收到的信號的裝置(10)。
文檔編號G01N29/07GK1133089SQ94193800
公開日1996年10月9日 申請日期1994年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月22日
發(fā)明者R·J·阿倫 申請人:阿姆科爾有限公司